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Ácido fosfórico

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 Nota: Para ácido ortofosfórico, veja Ácidos fosfóricos e fosfatos.
 Nota: Não confundir com Ácido fosforoso.
Ácido fosfórico
Nomes
Nome IUPAC Ácido fosfórico
Outros nomes Ácido ortofosfórico, fosfato de hidrogênio
Identificadores
Número CAS 7664-38-2
PubChem 1004
Número EINECS 231-633-2
DrugBank DB09394
ChemSpider 979
KEGG D05467
ChEBI 26078
Número RTECS TB6300000
SMILES
 
  • OP(=O)(O)O
Propriedades
Fórmula química H
3PO
4
Aparência Sólido incolor
Odor Inodoro
Densidade 1,6845 g/cm3 (25 °C, 85%),[1] 1,834 g/cm3 (sólido)[2]
Ponto de fusão 42,35 anidro[11]
29,32 °C (84,78 °F; 302,47 K) hemi-hidrato[12]
Ponto de ebulição 212 °C (414 °F)[3] (apenas a água evapora)[4]
Solubilidade em água 392,2 g/(100 g) (−16,3 °C)
369,4 g/(100 mL) (0,5 °C)
446 g/(100 mL) (15 °C)[5]
548 g/(100 mL) (20 °C)[6]
Solubilidade Solúvel em etanol
log P −2,15[7]
Pressão de vapor 0,03 mmHg (20 °C)
Acidez (pKa) 2,16[8]
7,20
12,32
Susceptibilidade magnética −43,8·10−6 cm3/mol[10]
Índice de refracção (nD) 1,3420 (8,8% p/p sol. aq.)[9]
1,4320 (85% sol. aq.) 25 °C
Viscosidade 2,4–9,4 cP (85% sol. aq.)
147 cP (100%)
Estrutura
Estrutura cristalina Monoclínico
Forma molecular Tetraédrico
Termoquímica
Entalpia padrão
de formação ΔfHo298 		−1271,7 kJ/mol
Entropia molar
padrão So298 		150,8 J/(mol⋅K)
Capacidade calorífica
molar Cp 298 		145,0 J/(mol⋅K)
Riscos associados
NFPA 704
0
3
0
 
Ponto de fulgor Não inflamável
EUA Limite de exposição
permissível (PEL) 		TWA 1 mg/m3
LD50 1530 mg/kg (rato, oral)[13]
Compostos relacionados
Página de dados suplementares
Estrutura e propriedades n, εr, etc.
Dados termodinâmicos Phase behaviour
Solid, liquid, gas
Dados espectrais UV, IV, RMN, EM
Exceto onde denotado, os dados referem-se a
materiais sob condições normais de temperatura e pressão.
Referências e avisos gerais sobre esta caixa.
Alerta sobre risco à saúde.

O ácido fosfórico (ácido ortofosfórico, ácido monofosfórico ou ácido fosfórico(V)) é um sólido incolor, inodoro contendo fósforo, e composto inorgânico com a fórmula química H
3PO
4. É comumente encontrado como uma solução aquosa a 85%, que é um líquido xaroposo incolor, inodoro e não volátil. É um importante produto químico industrial, sendo componente de muitos fertilizantes.

O composto é um ácido. A remoção dos três íons H+
 dá o íon fosfato PO3–
4. A remoção de um ou dois prótons dá o íon dihidrogenofosfato H
2PO–
4, e o íon hidrogenofosfato HPO2–
4, respectivamente. O ácido fosfórico forma ésteres, chamados organofosfatos.[14]

O nome "ácido ortofosfórico" pode ser usado para distinguir este ácido específico de outros "ácidos fosfóricos", como o ácido pirofosfórico. No entanto, o termo "ácido fosfórico" frequentemente significa este composto específico; e essa é a atual nomenclatura IUPAC.

Produção

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O ácido fosfórico é produzido industrialmente por uma de duas rotas, processos úmidos e secos.[15][16][17]

Processo úmido

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No processo úmido, minerais contendo fosfato, como hidroxiapatita de cálcio ou fluorapatita, são tratados com ácido sulfúrico.[18]

Ca
5(PO
4)
3OH + 5 H
2SO
4 → 3 H
3PO
4 + 5 [[CaSO
4]] + H
2O
Ca
5(PO
4)
3F + 5 H
2SO
4 → 3 H
3PO
4 + 5 [[CaSO
4]] + HF

Subprodutos incluem sulfato de cálcio (CaSO
4) e fluoreto de hidrogênio (HF). O gás HF pode ser recuperado ao passá-lo por um lavador úmido (água) produzindo ácido fluorídrico. CaSO
4 é mais conhecido como gesso, comumente usado na indústria da construção, no entanto o CaSO
4 produzido a partir da produção de ácido fosfórico pode conter níveis traço de elementos radioativos como rádio. Isso o torna inadequado para uso comercial, e é chamado fosfogesso para distingui-lo. Geralmente é armazenado indefinidamente.

Em ambos os casos, a solução de ácido fosfórico geralmente contém 23–33% P
2O
5 (32–46% H
3PO
4). Pode ser concentrada para produzir ácido fosfórico comercial ou de grau mercantil, que contém cerca de 54–62% P
2O
5 (75–85% H
3PO
4). A remoção adicional de água produz ácido superfosfórico com concentração de P
2O
5 acima de 70% (correspondendo a quase 100% H
3PO
4). O ácido fosfórico de ambos os processos pode ser purificado ainda mais removendo compostos de arsênio e outras impurezas potencialmente tóxicas.

Processo seco

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Para produzir ácido fosfórico de grau alimentício, o minério de fosfato é primeiro reduzido com coque em um forno de arco elétrico, para dar fósforo elementar. Esse processo também é conhecido como processo térmico ou processo de forno elétrico. Também é adicionada sílica, resultando na produção de escória de silicato de cálcio. O fósforo elementar é destilado do forno e queimado com ar para produzir pentóxido de fósforo de alta pureza, que é dissolvido em água para produzir ácido fosfórico.[19] O processo térmico produz ácido fosfórico com uma concentração muito alta de P
2O
5 (cerca de 85%) e baixo nível de impurezas.

No entanto, esse processo é mais caro e intensivo em energia do que o processo úmido, que produz ácido fosfórico com uma concentração menor de P
2O
5 (cerca de 26–52%) e maior nível de impurezas. O processo úmido é o método mais comum de produção de ácido fosfórico para uso em fertilizantes.[20] Mesmo na China, onde o processo térmico ainda é usado bastante devido ao carvão relativamente barato em oposição ao ácido sulfúrico, mais de 7/8 do ácido fosfórico é produzido com processo úmido.[21]

Purificação

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O ácido fosfórico produzido a partir de rocha fosfática ou processos térmicos frequentemente requer purificação. Um método comum de purificação é a extração líquido-líquido, que envolve a separação do ácido fosfórico da água e outras impurezas usando solventes orgânicos, como fosfato de tributila (TBP), metil isobutil cetona (MIBK) ou n-octanol. A nanofiltração envolve o uso de uma membrana de nanofiltração pré-modificada, funcionalizada por um depósito de um polímero policatiônico de alto peso molecular de polietilenominas. A nanofiltração demonstrou reduzir significativamente as concentrações de várias impurezas, incluindo cádmio, alumínio, ferro e elementos terras-raras. Os resultados em escala laboratorial e piloto industrial mostraram que esse processo permite a produção de ácido fosfórico de grau alimentício.[22]

A cristalização fracionada pode alcançar purezas mais altas tipicamente usadas para aplicações em semicondutores. Geralmente é usado um cristalizador estático. Um cristalizador estático usa placas verticais, suspensas no fundido alimentado e alternadamente resfriadas e aquecidas por um meio de transferência de calor. O processo começa com o resfriamento lento do meio de transferência de calor abaixo do ponto de congelamento do fundido estagnado. Esse resfriamento causa o crescimento de uma camada de cristais nas placas. Impurezas são rejeitadas dos cristais em crescimento e concentradas no fundido restante. Após a fração desejada ter sido cristalizada, o fundido restante é drenado do cristalizador. A camada cristalina mais pura permanece aderida às placas. Em uma etapa subsequente, as placas são aquecidas novamente para liquefazer os cristais e o ácido fosfórico purificado drenado para o recipiente de produto. O cristalizador é preenchido com alimentação novamente e o próximo ciclo de resfriamento é iniciado.[23]

Propriedades

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Propriedades ácidas

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Em solução aquosa, o ácido fosfórico comporta-se como um ácido triprótico.

H
3PO
4 ⇌ H
2PO–
4 + H+
, pKa1 = 2,14
H
2PO–
4 ⇌ HPO2–
4 + H+
, pKa2 = 7,20
HPO2–
4 ⇌ PO3–
4 + H+
, pKa3 = 12,37

A diferença entre valores sucessivos de pKa é suficientemente grande para que sais de monohidrogenofosfato, HPO2–
4 ou dihidrogenofosfato, H
2PO–
4, possam ser preparados a partir de uma solução de ácido fosfórico ajustando o pH para o meio-termo entre os respectivos valores de pKa.

Soluções aquosas

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Soluções aquosas até 62,5% H
3PO
4 são eutéticos, exibindo depressão do ponto de congelamento tão baixa quanto −85 °C. Quando a concentração do ácido sobe acima de 62,5%, o ponto de congelamento aumenta, alcançando 21 °C a 85% H
3PO
4 (p/p; o monohidrato). Além disso, o diagrama de fases torna-se complicado, com máximos e mínimos locais significativos. Por essa razão, o ácido fosfórico raramente é vendido acima de 85%, pois além disso adicionar ou remover pequenas quantidades de umidade arrisca congelar toda a massa em sólido, o que seria um grande problema em larga escala. Um máximo local a 91,6% corresponde ao hemi-hidrato 2H3PO4•H2O, congelando a 29,32 °C.[24][25] Há uma segunda depressão eutética menor a uma concentração de 94,75% com ponto de congelamento de 23,5 °C. Em concentrações mais altas, o ponto de congelamento aumenta rapidamente. O ácido fosfórico concentrado tende a super-resfriar antes que a cristalização ocorra, e pode ser relativamente resistente à cristalização mesmo quando armazenado abaixo do ponto de congelamento.[12]

Autocondensação

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O ácido fosfórico está comercialmente disponível como soluções aquosas de várias concentrações, geralmente não excedendo 85%. Se concentrado ainda mais, sofre lenta autocondensação, formando um equilíbrio com ácido pirofosfórico:

2 H
3PO
4 ↔ H
2O + H
4P
2O
7

Mesmo a 90% de concentração, a quantidade de ácido pirofosfórico presente é insignificante, mas acima de 95% começa a aumentar, alcançando 15% no que seria de outra forma 100% de ácido ortofosfórico.[26]

À medida que a concentração aumenta, ácidos superiores são formados, culminando na formação de ácidos polifosfóricos.[27] Não é possível desidratar completamente o ácido fosfórico para pentóxido de fósforo, em vez disso o ácido polifosfórico torna-se cada vez mais polimérico e viscoso. Devido à autocondensação, o ácido ortofosfórico puro só pode ser obtido por um cuidadoso processo de congelamento/fusão fracionada.[12][11]

Usos

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Ver também: Fósforo § Aditivo alimentar

O uso dominante do ácido fosfórico é em fertilizantes, consumindo aproximadamente 90% da produção.[28]

Aplicação Demanda (2006) em milhares de toneladas Principais derivados de fosfato
Sabões e detergentes 1836 STPP
Indústria alimentícia 309 STPP (Na
5P
3O
10), SHMP, TSP, SAPP, SAlP, MCP, DSP (Na
2HPO
4), H
3PO
4
Tratamento de água 164 SHMP, STPP, TSPP, MSP (NaH
2PO
4), DSP
Pasta de dentes 68 DCP (CaHPO
4), IMP, SMFP
Outras aplicações 287 STPP (Na
3P
3O
9), TCP, APP, DAP, fosfato de zinco (Zn
3(PO
4)
2), fosfato de alumínio (AlPO
4), H
3PO
4

O ácido fosfórico de grau alimentício (aditivo E338[29]) é usado para acidificar alimentos e bebidas como várias colas e geleias, proporcionando um sabor picante ou azedo. O ácido fosfórico também serve como conservante.[30] Bebidas gaseificadas contendo ácido fosfórico, que incluiriam Coca-Cola, são às vezes chamadas de refrigerante de fosfatos ou fosfatos. O ácido fosfórico em bebidas tem potencial para causar erosão dentária.[31] O ácido fosfórico também tem potencial para contribuir para a formação de cálculos renais, especialmente naqueles que já tiveram cálculos renais anteriormente.[32]

Aplicações específicas do ácido fosfórico incluem:

O ácido fosfórico também pode ser usado para polimento químico (gravura) de metais como alumínio ou para passivação de produtos de aço em um processo chamado fosfatização.[38]

Segurança

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O ácido fosfórico não é um ácido forte. No entanto, em concentrações moderadas, as soluções de ácido fosfórico são irritantes para a pele. O contato com soluções concentradas pode causar queimaduras graves na pele e danos permanentes aos olhos.[39]

Foi demonstrada uma ligação entre a ingestão regular e prolongada de cola e osteoporose em mulheres na meia-idade tardia (mas não em homens).[40]

Ver também

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Referências

  1. ↑ Christensen, J. H.; Reed, R. B. (1955). «Design and Analysis Data—Density of Aqueous Solutions of Phosphoric Acid Measurements at 25 °C.» 6 ed. Ind. Eng. Chem. 47: 1277–1280. doi:10.1021/ie50546a061 
  2. ↑ «CAMEO Chemicals Datasheet – Phosphoric Acid». Consultado em 15 de agosto de 2019. Cópia arquivada em 15 de agosto de 2019 
  3. ↑ «Phosphoric acid». www.chemspider.com. Consultado em 3 de março de 2020. Cópia arquivada em 12 de março de 2020 
  4. ↑ Brown, Earl H.; Whitt, Carlton D. (1952). «Vapor Pressure of Phosphoric Acids»Subscrição paga é requerida 3 ed. Industrial & Engineering Chemistry. 44: 615–618. doi:10.1021/ie50507a050 
  5. ↑ Seidell, Atherton; Linke, William F. (1952). Solubilities of Inorganic and Organic Compounds. [S.l.]: Van Nostrand. Consultado em 2 de junho de 2014. Cópia arquivada em 11 de março de 2020 
  6. ↑ Haynes, p. 4.80
  7. ↑ «phosphoric acid_msds». Consultado em 2 de maio de 2018. Cópia arquivada em 4 de julho de 2017 
  8. ↑ Haynes, p. 5.92
  9. ↑ Edwards, O. W.; Dunn, R. L.; Hatfield, J. D. (1964). «Refractive Index of Phosphoric Acid Solutions at 25 C.» 4 ed. J. Chem. Eng. Data. 9: 508–509. doi:10.1021/je60023a010 
  10. ↑ Haynes, p. 4.134
  11. ↑ a b Greenwood, N. N.; Thompson, A. (1959). «701. The mechanism of electrical conduction in fused phosphoric and trideuterophosphoric acids». Journal of the Chemical Society (Resumed). 3485 páginas. doi:10.1039/JR9590003485 
  12. ↑ a b c Ross, Wm. H.; Jones, R. M.; Durgin, C. B. (Outubro de 1925). «The Purification of Phosphoric Acid by Crystallization.»Subscrição paga é requerida 10 ed. Industrial & Engineering Chemistry (em inglês). 17: 1081–1083. ISSN 0019-7866. doi:10.1021/ie50190a031 
  13. ↑ «Phosphoric acid». Concentrações Imediatamente Perigosas à Vida ou Saúde (IDLH). National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) 
  14. ↑ Westheimer, F.H. (6 de junho de 1987). «Why nature chose phosphates» 4793 ed. Science. 235: 1173–1178 (ver pp. 1175–1176). Bibcode:1987Sci...235.1173W. CiteSeerX 10.1.1.462.3441Acessível livremente. PMID 2434996. doi:10.1126/science.2434996 
  15. ↑ Becker, Pierre (1988). Phosphates and phosphoric acid. New York: Marcel Dekker. ISBN 978-0824717124 
  16. ↑ Gilmour, Rodney (2014). Phosphoric acid: purification, uses, technology, and economics. Boca Raton: CRC Press. pp. 44–61. ISBN 9781439895108 
  17. ↑ Jupp, Andrew R.; Beijer, Steven; Narain, Ganesha C.; Schipper, Willem; Slootweg, J. Chris (2021). «Phosphorus recovery and recycling – closing the loop» 1 ed. Chemical Society Reviews. 50: 87–101. PMID 33210686. doi:10.1039/D0CS01150AAcessível livremente 
  18. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (em inglês) 2ª ed. [S.l.]: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8 
  19. ↑ Geeson, Michael B.; Cummins, Christopher C. (2020). «Let's Make White Phosphorus Obsolete» 6 ed. ACS Central Science. 6: 848–860. PMC 7318074Acessível livremente. PMID 32607432. doi:10.1021/acscentsci.0c00332 
  20. ↑ Phosphoric Acid and Phosphatic Fertilizers: A profile
  21. ↑ Minpeng; Chen; Fu; Sun; Xu; Xia; Ji-ning. «The Phosphorus Flow in China: A Revisit from the Perspective of Production» (PDF) 1 ed. Global Environmental Research. 19: 19–25 
  22. ↑ Wet Process Phosphoric Acid Purification (2022). «Wet Process Phosphoric Acid Purification Using Functionalized Organic Nanofiltration Membrane» 4 ed. Separations. 9: 100. doi:10.3390/separations9040100Acessível livremente 
  23. ↑ Fractional Crystallization
  24. ↑ Ross, William H.; Jones, Russell M. (Agosto de 1925). «The Solubility and Freezing-Point Curves of Hydrated and Anhydrous Orthophosphoric Acid» 8 ed. Journal of the American Chemical Society. 47: 2165–2170. Bibcode:1925JAChS..47.2165R. doi:10.1021/ja01685a015 
  25. ↑ «Purified Phosphoric Acid H3PO4 Technical Information Bulletin» (PDF). PotashCorp. Consultado em 11 de fevereiro de 2023 
  26. ↑ Korte, Carsten (2016), «Phosphoric Acid and its Interactions with Polybenzimidazole-Type Polymers»Subscrição paga é requerida, ISBN 978-3-319-17081-7, Cham: Springer International Publishing, High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (em inglês), pp. 169–194, doi:10.1007/978-3-319-17082-4_8, consultado em 12 de fevereiro de 2023 
  27. ↑ Jameson, R. F. (1 de janeiro de 1959). «151. The composition of the "strong" phosphoric acids». Journal of the Chemical Society (Resumed): 752–759. doi:10.1039/JR9590000752 
  28. ↑ Schrödter, Klaus; Bettermann, Gerhard; Staffel, Thomas; Wahl, Friedrich; Klein, Thomas; Hofmann, Thomas (2008). «Phosphoric Acid and Phosphates». Enciclopédia Ullmann de Química Industrial. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30673-2. doi:10.1002/14356007.a19_465.pub3 
  29. ↑ «Current EU approved additives and their E Numbers». Foods Standards Agency. 14 de março de 2012. Consultado em 22 de julho de 2012. Cópia arquivada em 21 de agosto de 2013 
  30. ↑ «Why is phosphoric acid used in some Coca‑Cola drinks?| Frequently Asked Questions | Coca-Cola GB». www.coca-cola.co.uk (em inglês). Consultado em 31 de agosto de 2021. Cópia arquivada em 2 de agosto de 2021 
  31. ↑ Moynihan, P. J. (23 de novembro de 2002). «Dietary advice in dental practice» 10 ed. British Dental Journal. 193: 563–568. PMID 12481178. doi:10.1038/sj.bdj.4801628Acessível livremente 
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  33. ↑ Toles, C.; Rimmer, S.; Hower, J. C. (1996). «Production of activated carbons from a washington lignite using phosphoric acid activation» 11 ed. Carbon. 34. 1419 páginas. Bibcode:1996Carbo..34.1419T. doi:10.1016/S0008-6223(96)00093-0 
  34. ↑ Wet chemical etching. Arquivado em 2012-09-25 no Wayback Machine umd.edu.
  35. ↑ Wolf, S.; R. N. Tauber (1986). Silicon processing for the VLSI era: Volume 1 – Process technology. [S.l.]: Lattice Press. p. 534. ISBN 978-0-9616721-6-4 
  36. ↑ «Ingredient dictionary: P». Cosmetic ingredient dictionary. Paula's Choice. Consultado em 16 de novembro de 2007. Cópia arquivada em 18 de janeiro de 2008 
  37. ↑ «Star San» (PDF). Five Star Chemicals. Consultado em 17 de agosto de 2015. Cópia arquivada (PDF) em 8 de fevereiro de 2016 
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  39. ↑ «Phosphoric Acid, 85 wt.% SDS». Sigma-Aldrich. 5 de maio de 2016. Consultado em 16 de janeiro de 2017. Cópia arquivada em 18 de janeiro de 2017 
  40. ↑ Tucker KL, Morita K, Qiao N, Hannan MT, Cupples LA, Kiel DP (1 de outubro de 2006). «Colas, but not other carbonated beverages, are associated with low bone mineral density in older women: The Framingham Osteoporosis Study» 4 ed. American Journal of Clinical Nutrition. 84: 936–942. PMID 17023723. doi:10.1093/ajcn/84.4.936Acessível livremente 

Fontes citadas

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Ligações externas

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